Analyses tomographiques de câbles supraconducteurs en conduit pour les réacteurs de fusion nucléaire : de l’image à la propriété physique

Romain Babouche1,⋆^{1,\star}, Frédéric Topin2^{2}, Louis Zani1^{1}, Alexandre Louzguiti1^{1}, Bernard Turck3^{3}, Jean-Luc Duchateau1^{1}, Ion Tiseanu4^{4}, Mihail Lungu4^{4}, Daniel Dumitru4^{4}
⋆^{\star} : romain.babouche@cea.fr
1^{1} CEA, IRFM, F-13108 Saint-Paul-Lez-Durance, France.
2^{2} Aix-Marseille Univ, CNRS, IUSTI, Marseille, France.
3^{3} CEA, IRFM, F-13108 Saint-Paul-Lez-Durance, France. *Retraité.
4^{4} INFLPR, Magurele, Romania.
Mots clés : Aimants supraconducteurs, câble en conduit, tomographie, pertes AC, résistivité, conductivité thermique
Résumé :

Les bobines de champ magnétique des réacteurs à fusion nucléaire sont, à l’heure actuelle, majoritairement construites à partir d’enroulements de grandes longueurs de câbles composés de centaines, voire de milliers, de brins supraconducteurs et de brins de cuivre. Ces brins sont torsadés en multiplets successifs imbriqués pour former les étages du câble. La géométrie résultante est complexe et a un impact direct sur les propriétés magnétiques, électriques et thermiques du câble. Ces câbles sont compactés dans une gaine (souvent en acier inoxydable) et forment ce que l’on appelle un conducteur. Le refroidissement est assuré par circulation forcée d’hélium supercritique à une température d’environ 4 K à l’intérieur de la gaine. Dans un tokamak, ces conducteurs sont soumis à des variations de champ magnétique qui entrainent une dissipation d’énergie au sein du câble. Cela peut engendrer la transition des brins supraconducteurs vers un état résistif entrainant la décharge du courant de la bobine. Dans des cas extrêmes, ces transitions peuvent menacer l’intégrité du tokamak.

Du fait de la complexité des trajectoires des brins et de leur impact sur les propriétés physiques des bobines, certains échantillons de conducteurs ont été analysé par tomographie de rayons-X. Il s’agit d’une analyse non-destructrice permettant d’obtenir une base de donnée d’images de coupes successives balayant la totalité de l’échantillon. Après traitement des images, il est ainsi possible d’obtenir des paramètres géométriques effectifs extraits d’une source de très haute fiabilité. L’objectif est alors de déterminer les propriétés physiques d’intérêt pour l’opération des bobines dans un environnement de tokamak.

Nous présentons la méthode d’analyse de ce type d’imagerie développée à partir de l’identifications des positions des centres des brins sur toute la longueur d’un échantillon. Nous avons inventorié de nombreux paramètres et indicateurs géométriques pertinents tels que : le pas de torsade de chaque étage, la statistique de contact inter-brin ou avec la surface de la gaine, le périmètre mouillé des brins et de la gaine etc. Cette méthode d’analyse a été appliqué à sept échantillons (similaires pour certains à ceux destinés aux bobines toroïdales du tokamak JT-60SA, au taux de vide près) qui diffèrent les uns des autres par leur taux de vide. Ainsi, nous disposons d’une large base de données qui permet de caractériser l’impact de la compaction de ces câbles.

Dans un second temps les paramètres effectifs établis par l’analyse des images tomographiques sont utilisés pour déterminer des propriétés physiques du câble. Les statistiques de contacts permettent par exemple de remonter à la conduction (électrique ou thermique) inter-brins et inter-étage. Nous réalisons des cartographies des conductivités entre les différentes torsades du câble. Le réseau électrique/thermique équivalent au câble est ainsi reconstruit et la redistribution des courants/flux est étudiée ainsi que la dissipation d’énergie associée.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-022

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